CN115061005A - 一种输电线铁磁谐振与弧光高阻接地故障辨别方法及系统 - Google Patents
一种输电线铁磁谐振与弧光高阻接地故障辨别方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出了一种输电线铁磁谐振与弧光高阻接地故障辨别方法,通过提取对地支路阻抗性质进行辨识,而工频铁磁谐振对地支路偏感性,弧光高阻接地故障对地支路阻抗偏阻性,二者具有明显差异,可以准确的辨别铁磁谐振故障还是弧光高阻接地故障。
Description
技术领域
本发明属于电力系统配电线路保护相关领域,尤其涉及一种输电线铁磁谐振与弧光高阻接地故障辨别方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息,不必然构成在先技术。
近年来电网消纳大量分布式电源以及交直流混联电网的建设与应用,使得传统交流输电线路的规模日益扩大,为保证电力系统的安全运行,输电线路频繁的投切检修极易诱发中性点直接接地系统下的单相串联铁磁谐振发生。伴随产生的过电压与过电流容易造成电力设备绝缘降低,甚至发生爆炸等恶性事故,严重威胁电力系统及工作人员的安全。
在实际系统运行中还存在类似的非线性故障或扰动,比如弧光高阻接地故障。电弧具有明显的非线性特性使得输电线路中相电压波形呈矩形波状畸变,具有高频谐波的频谱特征,同时电弧稳定燃烧时导致电压电流具有工频周期特性,与中性点直接接地系统下工频铁磁谐振时频域特征相似,导致继电保护装置难以实现工频铁磁谐振与弧光高阻接地故障的快速识别。
由于铁磁谐振与弧光高阻接地故障发生频率较高,对电力系统具有较高的危害性,国内外学者进行了大量的相关研究。针对铁磁谐振检测,可分为从时域角度和频域角度提取特征量进行检测。铁磁谐振具有特征模式多样性的特点,难以保证检测方法的可靠性,且受变压器非线性励磁特性的影响,微分状态方程无法求取完备的时域解析解,导致检测阈值设定困难。针对弧光高阻接地故障检测,从时、频域角度相继提出了凹凸性法、谐波法等,但对电弧畸变特性的准确建模依赖性较大;但是上述研究均是针对某一种扰动或故障开展研究,而实际电网中两种扰动往往相继发生,现有方法存在失效的风险。
发明内容
为克服上述现有技术的不足,本发明提供了一种输电线铁磁谐振与弧光高阻接地故障辨别方法及系统,通过提取对地支路阻抗性质进行辨识,而工频铁磁谐振对地支路偏感性,弧光高阻接地故障对地支路阻抗偏阻性,二者具有明显的差异,能够准确的辨识发生铁磁谐振故障还是弧光高阻接地故障。
为实现上述目的,本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案:一种输电线铁磁谐振与弧光高阻接地故障辨别方法,包括:
步骤1:实时采集输电线接地系统中工频周期内相电压和相电流并分别进行傅里叶变换,得到相电压、相电流的总谐波畸变率,若总谐波畸变率超过设定阈值,则初步判定为铁磁谐振或弧光高阻接地故障;
步骤2:对所采集的相电压和相电流进行滤波后绘制归一化伏安特性曲线,基于归一化伏安特性曲线的特征夹角是否超过阈值角,辨别发生铁磁谐振故障还是弧光高阻接地故障。
进一步的,在所述步骤1中具体为:
计算每工频周期内所采集相电流的有效值,若所计算的电流有效值大于设定的电流预设值标记为工频周期起始点;
对工频周期起始点后的工频周期内的相电压和相电流分别进行傅里叶变换计算相电压总谐波畸变率和相电流总谐波畸变率。
进一步的,在所述步骤1中:当所述总谐波畸变率超过设定阈值,且电压工频分量幅值最高,其次为高频谐波幅值,则初步判定发生铁磁谐振或弧光高阻接地故障。
进一步的,在所述步骤2中,采用切比雪夫滤波器对采集的相电压和相电流进行低通滤波。
进一步的,在所述步骤2中,基于归一化伏安特性曲线的特征夹角是否超过预设值,判定发生铁磁谐振故障还是弧光高阻接地故障具体包括:
根据实时测量的相电压和相电流绘制伏安特性曲线;
根据伏安特性曲线上每工频周期内的最大相电压点与原点形成的第一向量以及最大相电流点与原点形成的第二向量,第一向量和第二向量形成的归一化伏安特性曲线特征夹角,根据归一化伏安特性曲线特征夹角是否超过阈值角辨别为铁磁谐振故障还是弧光高阻接地故障。
进一步的,所述阈值角设定为45度,若归一化伏安特性曲线特征夹角超过45度,则判定为工频铁磁谐振;若归一化伏安特性曲线特征夹角未超过45度,则判定为弧光高阻接地故障。
本发明的第二个方面提供一种输电线铁磁谐振与弧光高阻接地故障辨别系统,包括:
初步判定模块:其被配置为:实时采集输电线接地系统中工频周期内相电压和相电流并分别进行傅里叶变换,得到相电压、相电流的总谐波畸变率,若总谐波畸变率超过设定阈值,则初步判定为铁磁谐振或弧光高阻接地故障;
辨别模块,其被配置为:对所采集的相电压和相电流进行滤波后绘制归一化伏安特性曲线,基于归一化伏安特性曲线的特征夹角是否超过阈值角,辨别发生铁磁谐振故障还是弧光高阻接地故障。
本发明的第三个方面提供一种计算机可读存储介质。
一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,该程序被处理器执行时实现如上述所述的一种输电线铁磁谐振与弧光高阻接地故障辨别方法中的步骤。
本发明的第四个方面提供一种计算机设备。
一种计算机设备,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的一种输电线铁磁谐振与弧光高阻接地故障辨别方法中的步骤。
以上一个或多个技术方案存在以下有益效果:
本发明克服了具有非线性特性的工频铁磁谐振和弧光高阻接地故障周期特征与频域特征相似而无法准确识别的缺陷,通过提取对地支路阻抗性质进行辨识,而工频铁磁谐振对地支路偏感性,弧光高阻接地故障对地支路阻抗偏阻性,二者具有明显差异,且滤波环节可大大降低噪声的干扰作用,使得辨识方法具有较高的可靠性和灵敏性。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出,部分将从下面的描述中变得明显,或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明中输电线路仿真拓扑图;
图2(a)是本发明中仿真数据工频铁磁谐振的归一化伏安特性曲线示意图;
图2(b)是本发明中仿真数据弧光高阻接地的归一化伏安特性曲线示意图;
图3是本发明中仿真数据伏安特性曲线阻抗差异示意图;
图4是实测弧光高阻接地故障归一化伏安特性曲线。
具体实施方式
应该指出,以下详细说明都是示例性的,旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明,本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明提出的总体思路:本发明针对铁磁谐振与弧光高阻接地故障对地支路阻抗特性的不同,提出了一种基于相电压和相电流构成的归一化伏安特性曲线特征的辨别方法,其中铁磁谐振的对地支路阻抗偏感性,弧光高阻接地故障对地支路阻抗偏阻性,二者具有明显的差别,可以准确的判别是铁磁谐振故障还是弧光高阻接地故障。
实施例一
本实施例公开了一种输电线铁磁谐振与弧光高阻接地故障辨别方法,包括:
步骤1:实时采集输电线接地系统中工频周期内相电压和相电流并分别进行傅里叶变换,得到相电压、相电流的总谐波畸变率,若总谐波畸变率超过设定阈值,则初步判定为铁磁谐振或弧光高阻接地故障;
步骤2:对所采集的相电压和相电流进行滤波后绘制归一化伏安特性曲线,基于归一化伏安特性曲线的特征夹角是否超过阈值角,辨别发生铁磁谐振故障还是弧光高阻接地故障。
本发明利用互感器实时采集相电压、相电流信号,绘制归一化伏安特性曲线,提取阻抗特征,来辨别铁磁谐振故障还是弧光高阻接地故障。
在所述步骤1中,持续对相电压u和相电流i进行采样,计算每工频周期内相电流的有效值I,当I>Iset时,标记过电流的工频周期起始点。Iset按照额定电流的120%~140%进行取值。其中,电流的有效值I计算如下:
其中,ΔT为采样时间间隔,im为工频周期内第m个时间间隔的电流采样瞬时值,S为1个工频周期内采样数。
对起始点后的工频周期内的相电压和相电流进行傅里叶变换,分别计算相电压、相电流的总谐波畸变率THD,若相电压或相电流总谐波畸变率 THD>THDset,则疑似发生铁磁谐振或弧光高阻接地故障,其中THDset为设定阈值,THDset取值应高于正常运行时的谐波畸变,小于弧光高阻接地故障的最小谐波畸变率,而输电线正常运行时谐波畸变小于3%,经统计弧光高阻接地故障的相电流最小谐波畸变率为5.3%,因此THDset取值3~5%。
进一步的,若电压工频分量幅值最高,其次为高频谐波幅值,其初步判定发生了铁磁谐振故障或弧光高阻接地故障。
相电压的总谐波畸变率THD的计算公式为:
其中,U1为电压基波幅值,U2、U3···Un分别为各电压谐波幅值。同理可计算相电流的总谐波畸变率。
在所述步骤2中,利用切比雪夫滤波器对相电压和相电流数据进行低通滤波,截止频率为2000Hz。
对滤波后的相电压和相电流绘制二维平面内的伏安特性曲线,将工频周期内最大相电压点P1和最大相电流点P2与原点O连接形成两个向量 两个向量形成的夹角构成归一化伏安特性曲线特征夹角θ,设定的阈值角为θset,若θ>θset,则判定为发生工频铁磁谐振,若否,则判定发生弧光高阻接地故障。其中阈值角θset设定为45度,θ的计算公式为:
还包括步骤3:对下一工频周期的相电压和相电流进行总谐波畸变检测,若不满足步骤1中的总谐波畸变率判定方法,则结束;否则,将下一工频周期的相电压和相电流信号进行步骤2中的方法进行循环识别。
如图1所示,本实施例中的一种输电线路工频铁磁谐振与弧光高阻接地故障辨识方法应用110kV中性点直接接地系统发生的工频铁磁谐振与弧光高阻接地故障仿真数据,将仿真数据应用上述的方法进行辨别。
采用仿真数据和实际录波数据验证上述一种输电线路工频铁磁谐振与弧光高阻接地故障辨识方法,仿真数据和实际录波数据提取到的归一化伏安特性曲线特征如图2和图3所示,可见,本发明所提出的方法工频铁磁谐振和弧光高阻接地故障阻抗特性具有明显的可辨识性,可以保证辨识方法的可靠性,同时在辨识方法中滤波环节大大增加对噪声的灵敏性。
实施例二
本实施例提供一种输电线铁磁谐振与弧光高阻接地故障辨别系统,包括:
初步判定模块:其被配置为:实时采集输电线接地系统中工频周期内相电压和相电流并分别进行傅里叶变换,得到相电压、相电流的总谐波畸变率,若总谐波畸变率超过设定阈值,则初步判定为铁磁谐振或弧光高阻接地故障;
辨别模块,其被配置为:对所采集的相电压和相电流进行滤波后绘制归一化伏安特性曲线,基于归一化伏安特性曲线的特征夹角是否超过阈值角,辨别发生铁磁谐振故障还是弧光高阻接地故障。
实施例三
本实施例的目的是提供一种计算机可读存储介质。
一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,该程序被处理器执行时执行上述方法的步骤。
实施例四
本实施例的目的是提供一种计算设备,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述程序时实现上述方法的步骤。
以上实施例二、三和四的中涉及的各步骤与方法实施例一相对应,具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。术语“计算机可读存储介质”应该理解为包括一个或多个指令集的单个介质或多个介质;还应当被理解为包括任何介质,所述任何介质能够存储、编码或承载用于由处理器执行的指令集并使处理器执行本发明中的任一方法。
本领域技术人员应该明白,上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现,可选地,它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现,从而,可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行,或者将它们分别制作成各个集成电路模块,或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述,但并非对本发明保护范围的限制,所属领域技术人员应该明白,在本发明的技术方案的基础上,本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种输电线铁磁谐振与弧光高阻接地故障辨别方法,其特征是,包括:
步骤1:实时采集输电线接地系统中工频周期内相电压和相电流并分别进行傅里叶变换,得到相电压、相电流的总谐波畸变率,若总谐波畸变率超过设定阈值,则初步判定为铁磁谐振或弧光高阻接地故障;
步骤2:对所采集的相电压和相电流进行滤波后绘制归一化伏安特性曲线,基于归一化伏安特性曲线的特征夹角是否超过阈值角,辨别发生铁磁谐振故障还是弧光高阻接地故障。
2.如权利要求1所述的一种输电线铁磁谐振与弧光高阻接地故障辨别方法,其特征是,在所述步骤1中具体为:
计算每工频周期内所采集相电流的有效值,若所计算的电流有效值大于设定的电流预设值标记为工频周期起始点;
对工频周期起始点后的工频周期内的相电压和相电流分别进行傅里叶变换计算相电压总谐波畸变率和相电流总谐波畸变率。
3.如权利要求1所述的一种输电线铁磁谐振与弧光高阻接地故障辨别方法,其特征是,在所述步骤1中:
当所述总谐波畸变率超过设定阈值,且电压工频分量幅值最高,其次为高频谐波幅值,则初步判定发生铁磁谐振或弧光高阻接地故障。
4.如权利要求1所述的一种输电线铁磁谐振与弧光高阻接地故障辨别方法,其特征是,在所述步骤2中,采用切比雪夫滤波器对采集的相电压和相电流进行低通滤波。
5.如权利要求1所述的一种输电线铁磁谐振与弧光高阻接地故障辨别方法,其特征是,在所述步骤2中,基于归一化伏安特性曲线的特征夹角是否超过预设值,判定发生铁磁谐振故障还是弧光高阻接地故障具体包括:
根据实时测量的相电压和相电流绘制伏安特性曲线;
根据伏安特性曲线上每工频周期内的最大相电压点与原点形成的第一向量以及最大相电流点与原点形成的第二向量,第一向量和第二向量形成的归一化伏安特性曲线特征夹角,根据归一化伏安特性曲线特征夹角是否超过阈值角辨别为铁磁谐振故障还是弧光高阻接地故障。
6.如权利要求5中的所述的一种输电线铁磁谐振与弧光高阻接地故障辨别方法,所述阈值角设定为45度,若归一化伏安特性曲线特征夹角超过45度,则判定为工频铁磁谐振;若归一化伏安特性曲线特征夹角未超过45度,则判定为弧光高阻接地故障。
7.一种输电线铁磁谐振与弧光高阻接地故障辨别系统,其特征是,包括:
初步判定模块:其被配置为:实时采集输电线接地系统中工频周期内相电压和相电流并分别进行傅里叶变换,得到相电压、相电流的总谐波畸变率,若总谐波畸变率超过设定阈值,则初步判定为铁磁谐振或弧光高阻接地故障;
辨别模块,其被配置为:对所采集的相电压和相电流进行滤波后绘制归一化伏安特性曲线,基于归一化伏安特性曲线的特征夹角是否超过阈值角,辨别发生铁磁谐振故障还是弧光高阻接地故障。
8.如权利要求7所述的一种输电线铁磁谐振与弧光高阻接地故障辨别系统,其特征是,在所述辨别模块中,根据实时测量的相电压和相电流绘制伏安特性曲线;
根据伏安特性曲线上每工频周期内的最大相电压点与原点形成的第一向量以及最大相电流点与原点形成的第二向量,第一向量和第二向量形成的归一化伏安特性曲线特征夹角,根据归一化伏安特性曲线特征夹角是否超过阈值角辨别为铁磁谐振故障还是弧光高阻接地故障。
9.一种计算机可读介质,存储有计算机程序,其特征在于,所述计算机程序当被处理器执行时实现如权利要求1-6所述的一种输电线铁磁谐振与弧光高阻接地故障辨别方法中的步骤。
10.一种计算机设备,包括处理器、存储器,以及存储在存储器上并可在处理器上运行计算机程序,其特征在于,所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-6中任一项所述的一种输电线铁磁谐振与弧光高阻接地故障辨别方法中的步骤。
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